DE19622418C2

DE19622418C2 - Semiconductor sensor

Info

Publication number: DE19622418C2
Application number: DE19622418A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Yamamoto
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1995-12-19
Filing date: 1996-06-04
Publication date: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2016-06-05
Also published as: JPH09166620A; JP3335516B2; US5914635A; DE19622418A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiter-Sensoreinrichtung ge mäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2.The invention relates to a semiconductor sensor device ge according to the preambles of claims 1 and 2.

Eine derartige Halbleiter-Sensoreinrichtung ist aus der Lite raturstelle "Piezoresistiver Drucksensor mit Verstärkungspro grammierung" von N. Rätz, Messen Prüfen Automatisieren, März 1989, S. 112-114, bekannt. Such a semiconductor sensor device is from the Lite raturstelle "Piezoresistive pressure sensor with gain pro grammierung "by N. Rätz, Measure Check Automation, March 1989, pp. 112-114.

Genauer betrifft die Erfindung Halbleitersensoren, die ein Deh nungserfassungselement auf oder in einem Halbleiter substrat bilden, und die Konvertierung der durch ela stische Deformation verursachten Änderung des Wider stands des Dehnungserfassungselements in ein elektri sches Signal, und bezieht sich insbesondere auf bei spielsweise einen Halbleiter-Drucksensor zur Verwendung für die Steuerung der Kraftstoffeinspritzung bei Auto mobilen oder auf einen Halbleiter-Beschleunigungssensor zur Verwendung in Antiblockier-Bremssystemen (ABS) oder Zusatz-Rückhaltesystemen (SRS) in Kraftfahrzeugen.More specifically, the invention relates to semiconductor sensors that a Deh voltage detection element on or in a semiconductor form substrate, and the conversion of by ela static deformation caused a change in the contra state of the strain detection element in an electri signal, and particularly relates to for example, a semiconductor pressure sensor for use for controlling fuel injection in cars mobile or on a semiconductor accelerometer for use in anti-lock braking systems (ABS) or Additional restraint systems (SRS) in motor vehicles.

Fig. 5 ist eine Ansicht im Teilquerschnitt, die den in neren Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten Beschleunigungssensors zeigt. Bezugnehmend auf Fig. 5 ist ein Halbleiter-Beschleunigungssensor 50 ein herme tisch abgeschlossenes Element oder Gehäuse mit einem Deckel 51 und einer aus Kobalt oder einem anderen Me tall hergestellten Bodenplatte 52 sowie Leiterverbin dungen 53 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Element und anderen externen Komponenten. Der Deckel 51 ist ein schachtelförmiges Teil, bei dem eine der Seiten mit der größten Fläche offen ist. Der Deckel 51 ist mit der Bodenplatte 52, die aus einem großen, plattenförmigen Teil besteht, so verschweißt oder verlötet, daß die Bodenplatte 52 die offene Seite des Deckels 51 verschließt. Wie erkennbar ist der Um fangsrand des offenen Endes des Deckels 51 flanschför mig ausgeführt, um das Verschweißen mit der Bodenplatte 52 zu erleichtern. Fig. 5 is a partial cross-sectional view showing the inner structure of an acceleration sensor known from the prior art. Referring to Fig. 5, a semiconductor acceleration sensor 50, a herme table enclosure element or housing having a cover 51 and a bottom plate tall made of cobalt or another Me 52 and Leiterverbin applications 53 for making an electrical connection between the element and other external components . The lid 51 is a box-shaped part in which one of the sides with the largest area is open. The cover 51 is welded or soldered to the base plate 52 , which consists of a large, plate-shaped part, in such a way that the base plate 52 closes the open side of the cover 51 . As can be seen, the peripheral edge of the open end of the cover 51 is designed to be flange-shaped in order to facilitate welding to the base plate 52 .

Durchgehende Löcher 54 sind in einer Anzahl, die der der Leiterverbindungen 53 entspricht, in der Bodenplat te 52 vorgesehen. In diese Löcher in der Bodenplatte 52 werden Röhren oder Röhrchen aus gehärtetem Glas einge setzt, und in diese Glasröhrchen wiederum die Leiter verbindungen 53 eingebettet. Sodann wird Wärme zuge führt, um die Glasröhrchen zu schmelzen und mit den Leiterverbindungen 53 zu verschmelzen und dadurch eine Glasisolierung oder -dichtung 55 um jede Leitung zu bilden und jede Leitung in dem entsprechenden Loch 54 der Bodenplatte 52 zu befestigen. Wird der Deckel dann mit der Bodenplatte 52 verschweißt, wird das Innere des Deckels 51 versiegelt und werden die Bodenplatte 52 und die Leiterverbindungen 53 durch die Glasisolatoren 55 elektrisch voneinander isoliert.Through holes 54 are provided in a number corresponding to that of the conductor connections 53 in the bottom plate 52 . In these holes in the bottom plate 52 tubes or tubes made of tempered glass are inserted, and in turn the conductor connections 53 embedded in these glass tubes. Heat is then applied to melt the glass tubes and fuse them with the conductor connections 53 , thereby forming a glass insulation or gasket 55 around each lead and securing each lead in the corresponding hole 54 in the bottom plate 52 . If the cover is then welded to the base plate 52 , the interior of the cover 51 is sealed and the base plate 52 and the conductor connections 53 are electrically insulated from one another by the glass insulators 55 .

Ein Ende eines Sensor-Chips 56 des Halbleiter-Beschleu nigungssensors 50 wird in einer Aufnahme 57 befestigt und bildet das feststehende Ende einer Hebel- oder Aus legerstruktur. Der Sensor-Chip 56 ist beispielsweise ein monokristallines N-Silizium. Die Rückseite des Sen sor-Chips 56 wird geätzt, um eine dünnwandige Membran 56 auszubilden, auf deren Oberfläche ein Beschleuni gungs-Erfassungselement 60 angeordnet wird.One end of a sensor chip 56 of the semiconductor acceleration sensor 50 is fastened in a receptacle 57 and forms the fixed end of a lever or off structure. The sensor chip 56 is, for example, a monocrystalline N silicon. The back of the sensor chip 56 is etched to form a thin-walled membrane 56 , on the surface of which an acceleration detection element 60 is arranged.

Das Beschleunigungs-Erfassungselement 60 wird durch Herstellen von vier den Piezowiderstand-Effekt nutzen den Widerständen (Piezowiderständen) durch thermisches Diffundieren von Bor oder Injizieren von Bor-Ionen oder einer anderen P-Verunreinigung in die Oberfläche der Membran 58 gebildet. Die vier Widerstände werden dann mittels Aluminium-Leiterverbindungen, beispiels weise durch Aufdampfen im Vakuum, oder durch Dotieren einer P-Verunreinigung in hoher Konzentration in der Membranoberfläche erzeugten, diffundierten Leiterverbin dungen miteinander zu einer Brückenschaltung verdrah tet. Infolgedessen konzentriert sich eine Belastung auf die Piezowiderstände.Acceleration sensing element 60 is formed by making four resistors (piezoresistors) utilizing the piezoresistive effect by thermally diffusing boron or injecting boron ions or other P contaminant into the surface of membrane 58 . The four resistors are then wired together using aluminum conductor connections, for example by vapor deposition in a vacuum, or by doping a P-type impurity in high concentration in the membrane surface, to form a bridge circuit. As a result, stress concentrates on the piezoresistors.

Wird eine Belastung durch eine auf den Sensor-Chip 56 einwirkende Beschleunigung hervorgerufen, überträgt der Sensor-Chip 56 diese auf die Membran 58 und erzeugt in folgedessen in der Membran 58 eine Dehnung bzw. Verfor mung. Der Widerstand der Piezowiderstände ändert sich in Übereinstimmung mit der Beschleunigungsrate, und es wird eine unsymmetrische Spannung am Ausgangsanschluß der Brückenschaltung erzeugt, wenn eine Spannung vorab an die Brücke angelegt wird. Die Beschleunigung kann dann (wie nachstehend als "Beschleunigungssignal) an hand dieser unsymmetrischen Spannung erfaßt werden. Das Beschleunigungssignal jedoch ist ein sehr kleines Si gnal, so daß eine Signalverarbeitungsschaltung 61 wie etwa eine Signalverstärkungsschaltung, eine Diagnose schaltung oder eine Fehlererkennungsschaltung am festen Ende des Sensor-Chips 56 angeordnet wird.If a load is caused by an acceleration acting on the sensor chip 56 , the sensor chip 56 transmits this to the membrane 58 and consequently generates an expansion or deformation in the membrane 58 . The resistance of the piezoresistors changes in accordance with the rate of acceleration, and an unbalanced voltage is generated at the output terminal of the bridge circuit when a voltage is applied to the bridge in advance. The acceleration can then be detected (as an "acceleration signal" below) from this unbalanced voltage. However, the acceleration signal is a very small signal, so that a signal processing circuit 61 such as a signal amplification circuit, a diagnosis circuit or an error detection circuit at the fixed end of the sensor -Chips 56 is arranged.

Die Signalverarbeitungsschaltung 61 wird mittels Bond drähten 62 aus Gold oder Aluminium mit einem Hybrid-IC 63 verbunden, welches einen Dickfilm-Widerstand zur Empfindlichkeitseinstellung oder einen Dickfilm-Wider stand zur Offset-Einstellung umfaßt. Das Hybrid-IC 63 wird mittels Bonddrähten 62 außerdem mit den Leiterver bindungen 53 verbunden. Infolgedessen wird das durch die Signalverarbeitungsschaltung 61 verstärkte Signal zunächst durch das Hybrid-IC korrigiert und dann über die Leiterverbindungen 53 an einen externen Mikrocompu ter oder dergleichen ausgegeben. The signal processing circuit 61 is connected by means of bond wires 62 made of gold or aluminum to a hybrid IC 63 which comprises a thick-film resistor for setting the sensitivity or a thick-film resistor for the offset setting. The hybrid IC 63 is also connected to the conductor connections 53 by means of bonding wires 62 . As a result, the signal amplified by the signal processing circuit 61 is first corrected by the hybrid IC and then outputted to an external microcomputer or the like via the conductor connections 53 .

Fig. 6 zeigt ein Schaltbild einer herkömmlichen Ver stärkerschaltung in dem vorstehend beschriebenen Be schleunigungssensor 50. Bezugnehmend auf Fig. 6 wird das durch das Beschleunigungserfassungselement 60, wel ches vier Piezowiderstände 65 umfaßt, ausgegebene Be schleunigungssignal durch den Operationsverstärker 70 der Differenzverstärkerstufe differentiell verstärkt, durch den Operationsverstärker 71 der Temperaturkorrek turstufe temperaturkorrigiert und invertiert verstärkt, und dann vor der Ausgabe durch den Operationsverstärker 73 der Endverstärkerstufe erneut invertiert verstärkt. Angemerkt sei, daß der Ausgangsanschluß des Operations verstärkers 71 der Temperaturkorrekturstufe über einen Widerstand 72 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 73 der Endverstärkerstufe verbunden ist, der Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers 73 über einen Widerstand 74 mit dem invertie renden Eingangsanschluß verbunden ist, und der Aus gangsanschluß des Operationsverstärkers 73 den Aus gangsanschluß des Halbleiter-Beschleunigungssensors 50 darstellt. FIG. 6 shows a circuit diagram of a conventional amplifier circuit in the acceleration sensor 50 described above. Referring to Fig. 6 which is embraced by the acceleration detecting element 60 wel ches four piezoresistors 65, Be outputted schleunigungssignal differentially amplified by the operational amplifier 70 of the differential amplifier stage, by the operational amplifier 71 of the Temperaturkorrek turstufe corrected for temperature and inverted amplified, and then prior to output by the Operational amplifier 73 of the final amplifier stage is again inverted. It should be noted that the output terminal of the operational amplifier 71 of the temperature correction stage is connected via a resistor 72 to the inverting input terminal of the operational amplifier 73 of the final amplifier stage, the output terminal of the operational amplifier 73 is connected via a resistor 74 to the inverting input terminal, and the output terminal the operational amplifier 73 represents the output connection of the semiconductor acceleration sensor 50 .

Fig. 7 ist ein Schaltbild, welches den Ausgangsab schnitt des Operationsverstärkers 73 zeigt. Wie in Fig. 7 gezeigt, wird der Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers 73 durch einen Widerstand 80 auf die Versor gungsspannung Vcc gezogen. Der Widerstand 80 bildet ei nen Zufuhrpfad für den aus dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 73 abgegebenen Strom und wird zur Selbstdiagnose des Halbleiter-Beschleunigungssensors 50 genutzt. Angemerkt sei, daß eine äquivalente Schaltung gemäß Fig. 8 entsteht, wenn eine zu große Beschleuni gung auf den Halbleiter-Beschleunigungssensor 50 ein wirkt; die durch den Operationsverstärker 70 der Diffe renzverstärkerstufe an den Eingangsanschluß des Opera tionsverstärkers 71 der Temperaturkorrekturstufe ge führte Spannung steigt an; die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 71 der Temperaturkorrekturstufe fällt, und ein NPN-Transistor Q81 des Operationsver stärkers 73 der Endverstärkerstufe wird eingeschaltet bzw. leitend; infolgedessen geht die von dem Ausgangs anschluß des Operationsverstärkers 73 abgegebene Span nung, d. h. die Ausgangsspannung Vout des Halbleiter- Beschleunigungssensors 50, in die Sättigung, und die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 71 wird gleich dem Erd- oder Massepotential. Fig. 7 is a circuit diagram showing the output section of the operational amplifier 73 . As shown in Fig. 7, the output terminal of the operational amplifier 73 is pulled through a resistor 80 to the supply voltage Vcc. The resistor 80 forms a supply path for the current output from the output terminal of the operational amplifier 73 and is used for self-diagnosis of the semiconductor acceleration sensor 50 . It should be noted that an equivalent circuit according to FIG. 8 arises when an excessive acceleration acts on the semiconductor acceleration sensor 50 ; the ge by the operational amplifier 70 of the differential amplifier stage to the input terminal of the operational amplifier 71 of the temperature correction stage leads voltage increases; the output voltage of the operational amplifier 71 of the temperature correction stage falls, and an NPN transistor Q81 of the operational amplifier 73 of the final amplifier stage is turned on or conductive; as a result, the voltage output from the output terminal of the operational amplifier 73 , that is, the output voltage Vout of the semiconductor acceleration sensor 50 , saturates, and the output voltage of the operational amplifier 71 becomes equal to the ground or ground potential.

Die Ausgangsspannung Vout aus dem Ausgangsanschluß des Halbleiter-Beschleunigungssensors 50 hängt infolgedes sen vom Spannungsteilerverhältnis der Widerstände 72, 74 und 80 ab und kann unter Verwendung der Gleichung [1]
The output voltage Vout from the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 50 consequently depends on the voltage dividing ratio of the resistors 72 , 74 and 80 and can be calculated using the equation [1]

Vout = Vcc × (R72 + R74)/(R72 + R74 + R80) [1]
Vout = Vcc × (R72 + R74) / (R72 + R74 + R80) [1]

berechnet werden, worin R72, R74 und R80 die Wider standswerte der Widerstände 72, 74 bzw. 80 sind.where R72, R74 and R80 are the resistance values of resistors 72 , 74 and 80 , respectively.

Fig. 9 ist ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwi schen der Ausgangsspannung aus dem Operationsverstärker 72 der Temperaturkorrekturstufe und der Ausgangsspan nung Vout des Halbleiter-Beschleunigungssensors 50 zeigt. Wenn die Ausgangsspannung aus dem Operationsver stärker 71 unter den Spannungspegel α, bei dem die Aus gangsspannung Vout gesättigt ist, fällt, wird das, was durch die Ausgangsspannung Vout gesättigt werden soll te, nicht gesättigt. Wenn die Ausgangsspannung des Ope rationsverstärkers 71 weiter auf den Massepegel fällt, wird die Ausgangsspannung Vout wie durch Gleichung [1] definiert. Mit anderen Worten, selbst obwohl eine Be schleunigung, die bewirkt, daß die Ausgangsspannung Vout gesättigt wird, auf den Halbleiter-Beschleuni gungssensor 50 einwirkt, erfaßt der Halbleiter-Be schleunigungssensor 50 eine Beschleunigung, die kleiner ist als die tatsächliche, wahre Beschleunigung. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the output voltage from the operational amplifier 72 of the temperature correction stage and the output voltage Vout of the semiconductor acceleration sensor 50 . If the output voltage from the operational amplifier 71 falls below the voltage level α at which the output voltage Vout is saturated, what is to be saturated by the output voltage Vout is not saturated. When the output voltage of the operational amplifier 71 continues to fall to the ground level, the output voltage Vout is defined as by equation [1]. In other words, even though a accelera tion which causes the output voltage is saturated Vout, is applied to the semiconductor Accelerati supply sensor 50, the semiconductor loading 50 detects an acceleration schleunigungssensor which is smaller than the actual, true acceleration.

Die Literaturstelle "Drucksensor integriert Signalaufberei tung" von H. Schaefer, Design & Elektronik Sensortechnik, Sonderheft, Oktober 1993, S. 36-37 offenbart ebenfalls einen Halbleitersensor mit mehreren Operationsverstärkern, der als integrierte Schaltung aufgebaut ist. Zur Messung von Über- und Unterdruck können außen an die integrierte Schaltung einige Widerstände angeschlossen werden. An den Ausgang des Sensors ist eine Strombegrenzerschaltung angeschlossen, die aus einem Operationsverstärker, zwei Spannungsteilern, einem Transistor und einem Widerstand besteht und zur Begrenzung des Steuerstroms auf einen konstanten Wert dient.The reference "pressure sensor integrates signal conditioning tung "by H. Schaefer, Design & Elektronik Sensortechnik, Sonderheft, October 1993, pp. 36-37 also discloses one Semiconductor sensor with several operational amplifiers, which as integrated circuit is built. For measuring excess and negative pressure can be on the outside of the integrated circuit some resistors are connected. At the exit of the A current limiter circuit is connected to the sensor from an operational amplifier, two voltage dividers, one Transistor and a resistor exists and for limitation of the control current to a constant value.

Die DE 30 37 888 C2 betrifft eine Meßschaltung zur Druck messung, bei der nichtlineare Verzerrungen korrigiert werden können. Diese Meßschaltung weist ebenfalls mehrere Opera tionsverstärker auf.DE 30 37 888 C2 relates to a measuring circuit for pressure measurement that corrects nonlinear distortion can. This measuring circuit also has several Opera tion amplifier on.

Das Nachschlagewerk "Begriffe der Elektronik" von S. B. Rentzsch, Franzis Verlag, München, 1989, definiert auf S. 359 einen Pull-up-Widerstand als einen Widerstand, der außen an eine integrierte Schaltung mit offenem Kollektor- oder Drain- Ausgang zur positiven Betriebsspannung hin geschaltet wird.The reference book "Terms of Electronics" by S. B. Rentzsch, Franzis Verlag, Munich, 1989, defined on p. 359 a pull-up resistor as a resistor that is on the outside an integrated circuit with an open collector or drain Output is switched to the positive operating voltage.

Einen derartigen Pull-up-Widerstand beinhaltet auch die in der DE 44 00 437 C2 gezeigte Halbleiter-Sensorvorrichtung. Dort ist der Widerstand zwischen dem Ausgangsanschluß der Vorrichtung und der Versorgungsspannung geschaltet.Such a pull-up resistor also includes the in the semiconductor sensor device shown in DE 44 00 437 C2. There is the resistance between the output connection Device and the supply voltage switched.

Nach dem "Lexikon Elektronik" von H.-D. Junge und A. Mösch witzer, VCH-Verlag, Weinheim, 1994, S. 43-44, handelt es sich bei einer Klemmschaltung um eine Schaltungsanordnung zur Festlegung des Potentials eines Wechselspannungssignals ohne Gleichspannungskomponente.According to the "Lexikon Elektronik" by H.-D. Junge and A. Mösch witzer, VCH-Verlag, Weinheim, 1994, pp. 43-44 in a clamping circuit around a circuit arrangement for Determining the potential of an AC signal without DC component.

Weiterhin ist aus der bereits eingangs genannten Literatur stelle "Piezoresistiver Drucksensor mit Verstärkungsprogram mierung" von N. Rätz, Messen Prüfen Automatisieren, März 1989, S. 112-114, eine ähnlich wie die anhand der Fig. 5 bis 9 beschrieben aufgebaute Halbleiter-Sensoreinrichtung mit einem Halbleiter-Sensor und einer Vielzahl von Operationsverstär kern bekannt. Diese Operationsverstärker dienen zur Verstär kung einer Ausgangsspannung des Halbleiter-Sensors und bein halten zudem einen Endstufen-Operationsverstärker, der eine invertierende Verstärkerschaltung bildet. Dabei wird das Aus gangssignal des Endstufen-Operationsverstärkers über einen Widerstand an den invertierenden Eingangsanschluß dieses Ope rationsverstärkers zurückgeführt.Furthermore, from the literature already mentioned, "Piezoresistive pressure sensor with amplification programming" by N. Rätz, Messen Prüf Automatieren, March 1989, pp. 112-114, is a semiconductor sensor device constructed similarly to that described with reference to FIGS. 5 to 9 known with a semiconductor sensor and a variety of operational amplifiers. These operational amplifiers serve to amplify an output voltage of the semiconductor sensor and also contain an output stage operational amplifier, which forms an inverting amplifier circuit. The output signal from the final stage operational amplifier is fed back via a resistor to the inverting input terminal of this operational amplifier.

Keiner der vorstehend genannten Druckschriften ist jedoch ein Hinweis zu entnehmen, wie ein Fehler der erfaßten Beschleuni gung zu beseitigen wäre, dessen Ursache anhand der Fig. 9 vorstehend beschrieben wurde.None of the above-mentioned documents, however, gives a hint as to how to eliminate an error in the detected acceleration, the cause of which was described above with reference to FIG. 9.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorste hend beschriebene Halbleiter-Sensoreinrichtung derart weiter zubilden, daß Funktionsfehler beseitigt und die Erfassungsge nauigkeit eines derartigen Halbleiter-Sensors verbessert ist.The invention is therefore based on the object, the first semiconductor sensor device described further to make sure that malfunctions are eliminated and the acquisition accuracy of such a semiconductor sensor is improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by the solved the part of claim 1 specified features.

Es ist daher beispielsweise möglich, die Ausgangsspannung aus dem Ausgangsanschluß des Sensors, d. h. dem Ausgangsanschluß, mit dem im Operationsverstärker der Endverstärkerstufe ein Pull-up-Widerstand verbunden ist, zu sättigen. Infolgedessen wird somit ein hochgenauer Halbleiter-Sensor geschaffen, der frei von Betriebs- und Funktionsfehlern infolge einer unge sättigten Ausgangs-Anschlußspannung ist.It is therefore possible, for example, to switch off the output voltage the output port of the sensor, d. H. the output connector, with that in the operational amplifier of the power amplifier stage Pull-up resistor is connected to saturate. Consequently This creates a highly accurate semiconductor sensor that free of operational and functional errors due to an accident saturated output connection voltage.

Alternativ wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 2 angegebenen Merkmale gelöst. Alternatively, this task is characterized by the im Part of claim 2 specified features solved.

Die Klemmschaltung kann infolgedessen verhindern, daß die Spannung an dem invertierenden Eingangsanschluß des Endstu fen-Operationsverstärkers soweit abfällt, bis die Ausgangs spannung des Endstufen-Operationsverstärkers gesättigt ist, so daß somit ein hochgenauer und nicht fehlerhaft arbeitender Halbleitersensor geschaffen werden kann. Daher ist der Halb leitersensor im Wesentlichen frei von Betriebsfehlern, wenn der Halbleitersensor als Beschleunigungssensor eingesetzt und eine zu große Beschleunigung zugeführt wird. As a result, the clamp circuit can prevent the Voltage at the inverting input terminal of the end stage fen operational amplifier drops until the output voltage of the final stage operational amplifier is saturated, so that it is a highly accurate and not faulty working Semiconductor sensor can be created. So that's half conductor sensor essentially free of operational errors if the semiconductor sensor used as an acceleration sensor and excessive acceleration is applied.

Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Aus führungsbeispiele und unter Bezugnahme auf die beige fügte Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:The invention is based on preferred Aus examples and with reference to the beige added drawing described in more detail. Show it:

Fig. 1 ein Schaltbild des Halbleiter-Beschleunigungs sensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; Figure 1 is a circuit diagram of the semiconductor acceleration sensor according to a first embodiment.

Fig. 2 ein Schaltbild des Ausgangsabschnittes eines Operationsverstärkers 8 gemäß Fig. 1; FIG. 2 shows a circuit diagram of the output section of an operational amplifier 8 according to FIG. 1;

Fig. 3 ein Schaltbild des Halbleiter-Beschleunigungs sensors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; Fig. 3 is a circuit diagram of the semiconductor acceleration sensor according to a second embodiment;

Fig. 4 ein Schaltbild einer Klemmschaltung 20 gemäß Fig. 3; FIG. 4 shows a circuit diagram of a clamping circuit 20 according to FIG. 3;

Fig. 5 eine Teildarstellung der inneren Struktur eines bekannten Halbleiter-Beschleunigungssensors im Quer schnitt; Fig. 5 is a partial view of the internal structure of a known semiconductor acceleration sensor in cross section;

Fig. 6 ein Schaltbild einer Verstärkerschaltung des be kannten Halbleiter-Beschleunigungssensors; Fig. 6 is a circuit diagram of an amplifier circuit of the known semiconductor acceleration sensor;

Fig. 7 ein Schaltbild des Ausgangsabschnitts eines Ope rationsverstärkers 73 gemäß Fig. 6; FIG. 7 is a circuit diagram of the output portion of an operational amplifier 73 shown in FIG. 6;

Fig. 8 eine Darstellung der durch Widerstände 72, 74 und 80 gebildeten äquivalenten Schaltung, wenn eine zu große Beschleunigung auf den Halbleiter-Beschleuni gungssensor gemäß Fig. 6 einwirkt; und Fig. 8 is an illustration of the equivalent circuit formed by resistors 72 , 74 and 80 when excessive acceleration acts on the semiconductor acceleration sensor according to Fig. 6; and

Fig. 9 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen der Ausgangsspannung aus dem Operationsverstärker 7 und der Ausgangsspannung Vout des in Fig. 6 gezeigten Halb leiter-Beschleunigungssensors 50 zeigt. Fig. 9 is a diagram showing the relationship between the output voltage from the operational amplifier 7 and the output voltage Vout of the semiconductor acceleration sensor 50 shown in Fig. 6.

First embodiment

Fig. 1 ist ein Schaltbild des Halbleiter-Beschleuni gungssensors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Bezugnehmend auf Fig. 1 besteht ein Beschleunigungs- Erfassungselement 1 aus einer vier Widerstände bzw. Piezowiderstände 2a, 2b, 2c und 2c, die auf der Ober fläche der Membran in dem Sensor-Chip ausgebildet sind, umfassenden Brückenschaltung. Die Versorgungsspannung Vcc wird an einen Eingang der Brückenschaltung ange legt, d. h. an den gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen den Piezowiderständen 2a und 2b, während der andere Eingang, d. h. der gemeinsame Verbindungspunkt zwischen den Piezowiderständen 2c und 2d, geerdet bzw. an Masse gelegt wird. Fig. 1 is a circuit diagram of the semiconductor Accelerati supply sensor according to a first embodiment. Referring to Fig. 1, an acceleration detection element 1 of a four resistors or piezo resistors 2 a, 2 b, 2 c and 2 c, which are on the upper surface of the membrane in the sensor chip formed comprehensive bridge circuit. The supply voltage Vcc is connected to an input of the bridge circuit, ie to the common connection point between the piezoresistors 2 a and 2 b, while the other input, ie the common connection point between the piezoresistors 2 c and 2 d, is grounded or grounded becomes.

Ein Ausgangsanschluß der Brückenschaltung, d. h. der ge meinsame Verbindungspunkt zwischen den Piezowiderstän den 2a und 2c, ist mit dem nicht invertierenden Ein gangsanschluß eines Operationsverstärkers 3 einer Dif ferenzverstärkerstufe verbunden, während der andere Ausgangsanschluß der Brückenschaltung, d. h. der gemein same Verbindungspunkt zwischen den Piezowiderständen 2b und 2d, ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 3 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 3 ist über einen Widerstand 4 mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines Operati onsverstärkers 5 einer Temperaturkorrekturstufe verbun den; der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5 ist einer Rückkopplungsschleife folgend über eine Tem peraturkompensations-Widerstandsschaltung 6 auch mit dessen eigenem invertierenden Eingangsanschluß verbun den.An output connection of the bridge circuit, ie the common connection point between the piezoresistors 2 a and 2 c, is connected to the non-inverting input connection of an operational amplifier 3 of a dif ferential amplifier stage, while the other output connection of the bridge circuit, ie the common connection point between the piezoresistors 2 b and 2 d, is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 3 . The output terminal of the operational amplifier 3 is connected via a resistor 4 to the inverting input terminal of an operational amplifier 5 of a temperature correction stage; the output terminal of the operational amplifier 5 is following a feedback loop via a temperature compensation resistor circuit 6 also connected to its own inverting input terminal.

Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5 ist über einen Widerstand 7 auch mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 8 einer Endverstärkerstufe verbunden. Jeweils dieselbe Refe renzspannung Vr wird an die nicht invertierenden An schlüsse von sowohl dem Operationsverstärker 5 als auch dem Operationsverstärker 8 angelegt. Der Ausgangsan schluß des Operationsverstärkers 8 der Endverstärker stufe ist einer Rückkopplungsschleife folgend über ei nen Widerstand 9 auch mit dessen invertierendem Ein gangsanschluß verbunden. Eine Konstantstromversorgung 10 ist ferner zwischen der Spannungsversorgung und dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 8 ange schlossen, und der Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers 8 dient als Ausgangsanschluß des Halbleiter- Beschleunigungssensors 15.The output terminal of the operational amplifier 5 is also connected via a resistor 7 to the inverting input terminal of an operational amplifier 8 of a power amplifier stage. The same reference voltage Vr is applied to the non-inverting connections of both the operational amplifier 5 and the operational amplifier 8 . The output terminal of the operational amplifier 8 of the power amplifier stage is following a feedback loop via a resistor 9 also connected to its inverting input terminal. A constant current supply 10 is also included 8 is between the voltage supply and the output terminal of the operational amplifier and the output terminal of Operationsver stärkers 8 serves as the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 15 °.

Angemerkt sei, daß das Beschleunigungs-Erfassungsele ment 1 eine negative Temperaturcharakteristik besitzt, die bewirkt, daß der Spannungsunterschied zwischen den zu dem Operationsverstärkers 3 der Differenzverstärker stufe führenden Eingangsanschlüssen und damit die Aus gangsspannung mit zunehmender Temperatur abnimmt. Die mit dem Operationsverstärker 5 der Temperaturkorrektur stufe verbundene Temperaturkompensations-Widerstands schaltung 6 umfaßt daher einen Widerstand oder mehrere Arten von Widerständen und besitzt eine positive Tempe raturcharakteristik, so daß die Schaltungsanordnung der Temperaturkorrekturstufe eine positive Temperaturcha rakteristik aufweist und daher die Temperaturcharakte ristik des Beschleunigungs-Erfassungselements 1 aus gleichen kann. Die Temperaturkorrekturstufe bildet auch eine invertierende Verstärkerschaltung: das durch den Operationsverstärker 3 abgegebene Signal wird durch den Operationsverstärker 5 der Temperaturkorrekturstufe in vers verstärkt und wird dann über den Widerstand 7 an den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsver stärkers 8 der Endverstärkerstufe geführt.It should be noted that the acceleration detection element 1 has a negative temperature characteristic, which causes the voltage difference between the input terminals leading to the operational amplifier 3 of the differential amplifier and thus the output voltage to decrease with increasing temperature. The temperature compensation resistor circuit 6 connected to the operational amplifier 5 of the temperature correction stage therefore comprises a resistor or several types of resistors and has a positive temperature characteristic, so that the circuit arrangement of the temperature correction stage has a positive temperature characteristic and therefore the temperature characteristic of the acceleration detection element 1 can equal. The temperature correction stage also forms an inverting amplifier circuit: the signal emitted by the operational amplifier 3 is amplified by the operational amplifier 5 of the temperature correction stage in verse and is then passed through the resistor 7 to the inverting input terminal of the operational amplifier 8 of the final amplifier stage.

Die Konstantstromversorgung 10 wirkt infolgedessen als Quelle des durch den Ausgangsanschluß des Halbleiter- Beschleunigungssensors 15 abgegebenen Stroms, so daß dann, wenn einem solchen Halbleiter-Beschleunigungs sensor eine zu große oder übermäßige Beschleunigung zu geführt wird, die durch den Differenzverstärkerstufen- Operationsverstärker 3 an den invertierenden Eingangs anschluß des Temperaturkorrekturstufen-Operationsver stärkers 5 geführte Spannung ansteigt, die Ausgangs spannung des Temperaturkorrekturstufen-Operationsver stärkers 5 abfällt und die an dem Ausgangsanschluß des Endverstärkerstufen-Operationsverstärkers 8 abgegebene Spannung, d. h. die an dem Ausgangsanschluß des Halblei ter-Beschleunigungssensors 15 abgegebene Ausgangsspan nung Vout, gesättigt wird. Angemerkt sei, daß die Kon stantstromversorgung 10 infolgedessen als die in den Patentansprüchen angegebene Sättigungseinrichtung ar beitet.The constant current supply 10 thus acts as a source of the current output through the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 15 , so that when such a semiconductor acceleration sensor is too large or excessive acceleration to be performed by the differential amplifier stage operational amplifier 3 to the inverting Input terminal of the temperature correction stage Operationsver amplifier 5 led voltage rises, the output voltage of the temperature correction stage Operationsver amplifier 5 drops and the output at the output terminal of the final amplifier stage operational amplifier 8 voltage, ie the output voltage at the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 15 output voltage Vout , is saturated. It should be noted that the Kon constant power supply 10 consequently works as the saturator specified in the claims ar.

Fig. 2 ist ein Schaltbild des Ausgangsabschnitts des Operationsverstärkers 8. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird der Ausgangsabschnitt des Operationsverstärkers 8 durch einen Widerstand 13 auf die Versorgungsspannung Vcc ge zogen. Der Widerstand 13 bildet den Zufuhrpfad für den an dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 8 ab gegebenen Strom und wird von dem Halbleiter-Beschleuni gungssensor 15 zur Selbstdiagnose verwendet. Fig. 2 is a circuit diagram of the output section of the operational amplifier 8. As shown in FIG. 2, the output portion of the operational amplifier 8 is pulled through a resistor 13 to the supply voltage Vcc. The resistor 13 forms the supply path for the current given at the output terminal of the operational amplifier 8 and is used by the semiconductor acceleration sensor 15 for self-diagnosis.

Wenn der Halbleiter-Beschleunigungssensor 15 eine zu große Beschleunigung erfährt, steigt die von dem Opera tionsverstärker 3 der Differenzverstärkerstufe an den invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstär kers 5 der Temperaturkorrekturstufe geführte Spannung an, fällt die Ausgangsspannung aus dem Operationsver stärkers 5 der Temperaturkorrekturstufe ab, schaltet ein NPN-Transistor Q1 des Operationsverstärkers 8 der Endverstärkerstufe ab, und wird die Ausgangsspannung Vout an dem Ausgangsanschluß des Halbleiter-Beschleuni gungssensors 15 gesättigt. Damit eine wie in Fig. 7 ge zeigte äquivalente Schaltung selbst dann nicht ent steht, wenn die Ausgangsspannung des Operationsverstär kers 5 Null ist, wird ein konstanter Strom IS2 durch die Konstantstromversorgung 10 am Ausgangsanschluß des Halbleiter-Beschleunigungssensors 15 zugeführt, so daß die Ausgangsspannung Vout am Ausgangsanschluß des Halb leiter-Beschleunigungssensors 15 gesättigt wird, wenn eine zu große Beschleunigung auf den Halbleiter-Be schleunigungssensor 15 einwirkt.If the semiconductor acceleration sensor 15 experiences too great an acceleration, the voltage led by the operational amplifier 3 of the differential amplifier stage to the inverting input terminal of the operational amplifier 5 of the temperature correction stage increases, the output voltage from the operational amplifier 5 of the temperature correction stage drops, an NPN switches -Transistor Q1 of the operational amplifier 8 of the final amplifier stage, and the output voltage Vout at the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 15 is saturated. So that an equivalent circuit shown in FIG. 7 does not arise even when the output voltage of the operational amplifier 5 is zero, a constant current IS2 is supplied through the constant current supply 10 at the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 15 , so that the output voltage Vout at the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 15 is saturated when an excessive acceleration acts on the semiconductor acceleration sensor 15 .

Der Halbleiter-Beschleunigungssensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel bildet infolgedessen einen inver tierenden Verstärker, wobei der Ausgang des Operations verstärkers 8 der Endverstärkerstufe durch den Wider stand 9 an den invertierenden Eingangsanschluß des Ope rationsverstärkers 8 zurückgeführt wird, der Pull-Up- Widerstand 13 auch mit dem Ausgangsanschluß des Opera tionsverstärkers 8 verbunden ist und die Konstantstrom versorgung 10 parallel zu dem Pull-Up-Widerstand 13 verschaltet ist, so daß die Ausgangsspannung des Opera tionsverstärkers gesättigt wird, falls die Spannung des invertierenden Eingangsanschlusses des Operationsver stärkers 8, gleich dem Erdpotential wird. Infolgedessen wird, falls beispielsweise der Halbleiter-Beschleuni gungssensor 15 mit einer zu großen Beschleunigung, die eine Sättigung der Ausgangsspannung Vout bewirkt, be aufschlagt wird, der Halbleiter-Beschleunigungssensor 15 keine kleinere als die tatsächliche oder wahre Be schleunigung erfassen, und kann durch Sättigen der Aus gangsspannung Vout anzeigen, daß eine zu große Be schleunigung erfaßt wurde. Es ist daher möglich, einen hochgenauen Halbleiter-Beschleunigungssensor zu erzie len, der frei von Betriebs- oder Funktionsfehlern ist. The semiconductor acceleration sensor according to the first embodiment is consequently an inver animal end amplifier, the output of the operational amplifier 8 of the final amplifier stage stand by the abutment 9 is fed back to the inverting input terminal of Ope rationsverstärkers 8, the pull-up resistor 13 also to the Output terminal of the Opera tion amplifier 8 is connected and the constant current supply 10 is connected in parallel with the pull-up resistor 13 , so that the output voltage of the Opera tion amplifier is saturated if the voltage of the inverting input terminal of the operational amplifier 8 is equal to the ground potential. Consequently, if for example, the semiconductor Accelerati supply sensor 15 with a large acceleration which effects a saturation of the output voltage Vout, BE is aufschlagt, the semiconductor acceleration sensor 15 detect no smaller than the actual or true accelera tion, and can be obtained by saturating the From the output voltage Vout indicate that an excessive acceleration has been detected. It is therefore possible to provide a high-precision semiconductor acceleration sensor which is free from operational or functional errors.

Second embodiment

Wie vorstehend beschrieben gewährleistet das erste Aus führungsbeispiel, daß die Ausgangsspannung gesättigt wird, wenn die Ausgangsspannung von beispielsweise ei nem Halbleiter-Beschleunigungssensor gesättigt werden muß, um anzuzeigen, daß eine zu große oder übermäßige Beschleunigung erfaßt wurde. Es ist jedoch auch mög lich, eine Klemmschaltung zur Begrenzung der Ausgangs spannung des Operationsverstärkers in der Temperatur korrekturstufe zu verwenden, so daß die Ausgangsspan nung des Operationsverstärkers nicht abfällt, d. h., nicht unter den Spannungspegel α, in Fig. 9 fällt, bis die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers in der Endverstärkerstufe gesättigt ist. Ein Halbleitersensor, bei dem eine solche Klemmschaltung eingesetzt wird, wird nachstehend als zweites Ausführungsbeispiel be schrieben.As described above, the first embodiment ensures that the output voltage becomes saturated when the output voltage from, for example, a semiconductor acceleration sensor needs to be saturated to indicate that excessive or excessive acceleration has been detected. However, it is also possible to use a clamp circuit for limiting the output voltage of the operational amplifier in the temperature correction stage, so that the output voltage of the operational amplifier does not drop, ie, does not fall below the voltage level α in FIG. 9 until the output voltage of the operational amplifier is saturated in the final amplifier stage. A semiconductor sensor in which such a clamping circuit is used will be described below as a second embodiment.

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer Halbleiter-Beschleu nigungssensor-Schaltung, die beispielhaft als zweites Ausführungsbeispiel herangezogen wird. Angemerkt sei, daß in den Fig. 1 und 3 gleiche Teile mit gleichen Be zugszeichen bezeichnet sind. Die weitere Beschreibung solcher gleicher Teile entfällt im folgenden, so daß nur die Unterschiede zwischen den in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Fig. 3 is a circuit diagram of a semiconductor acceleration sensor circuit used as an example as a second embodiment. It should be noted that in FIGS . 1 and 3, the same parts are designated by the same reference numerals. The further description of such like parts is omitted below, so that will be described, only the differences between the positions shown in Fig. 1 and Fig. 3 embodiments.

Der in Fig. 3 gezeigte Halbleiter-Beschleunigungssensor unterscheidet sich von dem in Fig. 1 durch die Entfer nung der Konstantstromversorgung 10 und dem Anschluß einer Klemmschaltung 20 an den Verbindungspunkt A zwi schen dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5 der Temperaturkorrekturstufe, der Temperaturkompensati ons-Widerstandsschaltung 6 und dem Widerstand 7. Der Halbleiter-Beschleunigungssensor 15 wird daher nachste hend als Halbleiter-Beschleunigungssensor 25 bezeich net.The semiconductor acceleration sensor shown in FIG. 3 differs from that in FIG. 1 by the removal of the constant current supply 10 and the connection of a clamping circuit 20 to the connection point A between the output terminal of the operational amplifier 5 of the temperature correction stage, the temperature compensation resistor circuit 6 and resistor 7 . The semiconductor acceleration sensor 15 is therefore referred to below as the semiconductor acceleration sensor 25 .

Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5 der Temperaturkorrekturstufe ist wieder über einen Wider stand 7 mit dem invertierenden Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 8 der Endverstärkerstufe verbun den, und es wird jeweils dieselbe Referenzspannung Vr den nicht invertierenden Eingangsanschlüssen beider Operationsverstärker 5 und 8 zugeführt. Wie vorstehend beschrieben ist ferner eine Klemmschaltung 20 mit dem Verbindungspunkt A zwischen dem Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 5, der Temperaturkompensations- Widerstandsschaltung 6 und dem Widerstand 7 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 8 der Endverstärkerstufe ist weiter über einen Widerstand 9 auf dessen eigenen invertierenden Eingangsanschluß zu rückgekoppelt. Der Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers 8 dient auch als Ausgangsanschluß des Halblei ter-Beschleunigungssensors 25. Die Klemmschaltung 20 arbeitet als die in den Patentansprüchen angegebene Be grenzerschaltung.The output terminal of the operational amplifier 5 of the temperature correction stage is again connected via a resistor 7 to the inverting input terminal of the operational amplifier 8 of the final amplifier stage, and the same reference voltage Vr is supplied to the non-inverting input terminals of both operational amplifiers 5 and 8 . As described above, a clamp circuit 20 is further connected to the connection point A between the output terminal of the operational amplifier 5 , the temperature compensation resistor circuit 6 and the resistor 7 . The output terminal of the operational amplifier 8 of the final amplifier stage is further fed back via a resistor 9 to its own inverting input terminal. The output terminal of the Operationsver amplifier 8 also serves as the output terminal of the semiconductor acceleration sensor 25th The clamping circuit 20 operates as the Be limit circuit specified in the claims.

Fig. 4 ist ein Schaltbild der Klemmschaltung 20 gemäß diesem Ausführungsbeispiel. Die Funktion und der Be trieb der Klemmschaltung 20 zum Begrenzen der Ausgangs spannung des Operationsverstärkers 5 der Temperaturkor rekturstufe wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 4 beschrieben. Fig. 4 is a circuit diagram of the clamp circuit 20 according to this embodiment. The function and the operation of the clamping circuit 20 for limiting the output voltage of the operational amplifier 5 of the temperature correction stage will be described below with reference to FIGS . 3 and 4.

Wie in Fig. 4 gezeigt, umfaßt die Klemmschaltung 20 zwei Mehrfachkollektor-Transistoren Q10 und Q17; vier NPN-Transistoren Q12, Q13, Q14 und Q16; drei PNP-Tran sistoren Q11, Q15 und Q18; fünf Widerstände 30, 31, 32, 33 und 34; und eine Konstantstromversorgung 35. Ange merkt sei, daß jeder der Mehrfachkollektor-Transisto ren Q10 und Q17 jeweils zwei Kollektoren aufweist.As shown in Fig. 4, the clamp circuit 20 includes two multi-collector transistors Q10 and Q17; four NPN transistors Q12, Q13, Q14 and Q16; three PNP transistors Q11, Q15 and Q18; five resistors 30 , 31 , 32 , 33 and 34 ; and a constant current supply 35 . It should be noted that each of the multiple collector transistors Q10 and Q17 each have two collectors.

Der Emitter des Mehrfachkollektor-Transistors Q10 ist über den Widerstand 30 mit der Quelle der Versorgungs spannung Vcc verbunden; ein Kollektor ist mit dem Emit ter des PNP-Transistors Q11 verbunden, an welche Ver bindung auch die Basis des PNP-Transistors Q14 ange schlossen ist. Der Kollektor des PNP-Transistors Q11 ist geerdet. Der Kollektor des NPN-Transistors Q14 ist mit der Quelle der Versorgungsspannung Vcc verbunden. Der Emitter des NPN-Transistors Q14 ist mit dem Emitter des PNP-Transistors Q15 verbunden und dient als Ein gangs/Ausgangsanschluß der Klemmschaltung 20; der Emit ter des NPN-Transistors Q14 ist infolgedessen mit dem Anschlußpunkt A gemäß Fig. 3 verschaltet, und der Kol lektor des PNP-Transistors Q15 ist geerdet.The emitter of the multi-collector transistor Q10 is connected via the resistor 30 to the source of the supply voltage Vcc; a collector is connected to the emitter of the PNP transistor Q11, to which connection the base of the PNP transistor Q14 is also connected. The collector of the PNP transistor Q11 is grounded. The collector of NPN transistor Q14 is connected to the source of the supply voltage Vcc. The emitter of the NPN transistor Q14 is connected to the emitter of the PNP transistor Q15 and serves as an input / output terminal of the clamping circuit 20 ; the emitter of NPN transistor Q14 is consequently connected to connection point A according to FIG. 3, and the collector of PNP transistor Q15 is grounded.

Der andere Kollektor des Mehrfachkollektor-Transistors Q10 ist mit dem Kollektor des NPN-Transistors Q12 ver bunden. Der Emitter des NPN-Transistors Q12 ist geer det, und die Basis ist mit der Basis des NPN-Transis tors Q13 verbunden. Die NPN-Transistoren bilden infol gedessen eine Strombegrenzerschaltung. Der Kollektor und der Emitter des NPN-Transistors Q12 sind ebenfalls verbunden, und der Emitter des NPN-Transistors Q13 ist geerdet. The other collector of the multiple collector transistor Q10 is ver with the collector of NPN transistor Q12 bound. The emitter of NPN transistor Q12 is geer det, and the base is with the base of the NPN transis Q13 connected. The NPN transistors form consequently a current limiter circuit. The collector and the emitter of NPN transistor Q12 are also connected, and the emitter of NPN transistor Q13 grounded.

Der Emitter des NPN-Transistors Q16 ist mit dem Kollek tor des NPN-Transistors Q13 verbunden, und die Basis des PNP-Transistors Q15 ist an diese Emitter-Kollektor- Verbindung angeschlossen. Der Kollektor des NPN-Tran sistors Q16 ist mit der Quelle der Versorgungsspannung Vcc verbunden. Die Widerstände 31, 32 und 33 sind in einer zwischen die Versorgungsspannung Vcc und der Erde oder Masse eingefügten Reihenschaltung verschaltet. Die geklemmte Spannung oder Klemmspannung wird durch die Widerstandswerte dieser Reihenschaltungswiderstände 31, 32 und 33 bestimmt, deren Verbindungspunkt B zwischen den Widerständen 31 und 32 mit der Basis des NPN-Tran sistors Q16 und deren Verbindungspunkt C zwischen den Widerständen 32 und 33 mit der Basis des PNP-Transi stors Q11 verbunden ist.The emitter of NPN transistor Q16 is connected to the collector of NPN transistor Q13, and the base of PNP transistor Q15 is connected to this emitter-collector connection. The collector of the NPN transistor Q16 is connected to the source of the supply voltage Vcc. The resistors 31 , 32 and 33 are connected in a series connection inserted between the supply voltage Vcc and the earth or ground. The clamped voltage or clamping voltage is determined by the resistance values of these series resistors 31 , 32 and 33 , the connection point B between the resistors 31 and 32 with the base of the NPN transistor Q16 and the connection point C between the resistors 32 and 33 with the base of the PNP transistor Q11 is connected.

Die Basis des Mehrfachkollektor-Transistors Q10 ist mit der Basis des Mehrfachkollektor-Transistors Q17 verbun den, und die Verbindungsstelle zwischen diesen ist au ßerdem mit dem Emitter des PNP-Transistors Q18 ver schaltet. Der Kollektor des PNP-Transistors Q18 ist ge erdet, seine Basis ist mit beiden Kollektoren des Mehr fachkollektor-Transistors Q17 verbunden, und die Kon stantstromversorgung 35 ist zwischen der Erde oder Mas se und dieser Basis-Kollektorverbindung verschaltet. Der Emitter des Mehrfachkollektor-Transistors Q17 ist über den Widerstand 34 mit der Quelle der Versorgungs spannung Vcc verbunden.The base of the multi-collector transistor Q10 is connected to the base of the multi-collector transistor Q17, and the junction between them is also connected to the emitter of the PNP transistor Q18. The collector of the PNP transistor Q18 is grounded, its base is connected to both collectors of the multi-collector transistor Q17, and the constant current supply 35 is connected between earth or ground and this base-collector connection. The emitter of the multi-collector transistor Q17 is connected via the resistor 34 to the source of the supply voltage Vcc.

Mit diesem Schaltungsaufbau wird, falls die Spannung am Verbindungspunkt C in Fig. 4 beispielsweise 1 V be trägt, die an die Basis des NPN-Transistors Q14 ange legte Spannung durch Addieren der Vorwärtsspannung von 0,6 V zwischen dem Emitter und der Basis des NPN-Tran sistors Q11 zu der angelegten Spannung von 1 V auf 1,6 V verstärkt. Weil die Vorwärtsspannung zwischen der Ba sis und dem Emitter des NPN-Transistors Q14 0,6 V be trägt, befindet sich der NPN-Transistor im eingeschal teten Zustand, wenn die Emitterspannung des NPN-Tran sistors Q14, d. h. die Spannung am Verbindungspunkt A, kleiner ist als 1 V, so daß daher die Spannung am Ver bindungspunkt A niemals unter 1 V fallen wird.With this circuit structure, if the voltage at the connection point C in FIG. 4 is 1 V, for example, the voltage applied to the base of the NPN transistor Q14 is added by adding the forward voltage of 0.6 V between the emitter and the base of the NPN -Trans transistor Q11 amplified to the applied voltage from 1 V to 1.6 V. Because the forward voltage between the base and the emitter of NPN transistor Q14 is 0.6 V, the NPN transistor is in the switched-on state when the emitter voltage of NPN transistor Q14, ie the voltage at connection point A, is less than 1 V, so that therefore the voltage at the connection point A will never drop below 1 V.

Ferner wird, falls die Spannung am Verbindungspunkt B in Fig. 4 beispielsweise 4 V beträgt, die Basisspannung des PNP-Transistors Q15 durch die Vorwärtsspannung von 0,6 V zwischen der Basis und dem Emitter des NPN-Tran sistors Q16 von 4 V auf 3, 4 V herabgesetzt. Weil die Vorwärtsspannung zwischen dem Emitter und der Basis des PNP-Transistors Q15 ebenfalls 0,6 V beträgt, verbleibt der PNP-Transistor Q15 im eingeschalteten Zustand, bis die'Spannung am Verbindungspunkt A zu 4 V wird. Die Spannung am Verbindungspunkt A wird daher auf 4 V ge halten und übersteigt 4 V nicht.Furthermore, if the voltage at the connection point B in FIG. 4 is 4 V, for example, the base voltage of the PNP transistor Q15 is changed from 4 V to 3 by the forward voltage of 0.6 V between the base and the emitter of the NPN transistor Q16 , 4 V reduced. Because the forward voltage between the emitter and the base of PNP transistor Q15 is also 0.6 V, PNP transistor Q15 remains on until the voltage at connection point A becomes 4 V. The voltage at connection point A is therefore kept at 4 V and does not exceed 4 V.

Indem auf diese Weise die Klemmschaltung 20 gemäß Fig. 4 mit dem Verbindungspunkt A in Fig. 3 verbunden wird, wird die Spannung am Verbindungspunkt A größer sein als die Spannung am Verbindungspunkt C und kleiner sein als die Spannung am Verbindungspunkt B in Fig. 4. Die Span nung am Verbindungspunkt A in Fig. 3 wird infolgedessen durch die Klemmschaltung 20 auf Pegel gehalten bzw. ge klemmt. Angemerkt sei, daß in diesem Ausführungsbei spiel die Spannung am Verbindungspunkt A so gesteuert werden kann, daß sie immer kleiner ist als der Wert des Spannungspegels α in Fig. 9, oder lediglich so geklemmt werden kann, daß sie den Spannungspegel α nicht über steigt.By the clamping circuit is connected to 20 of FIG. 4 to the connection point A in Fig. 3 in this manner, the voltage at the connecting point A will be greater than the voltage at the connection point C and be less than the voltage at the connection point B in Fig. 4. The voltage at the connection point A in Fig. 3 is consequently held or clamped by the clamping circuit 20 at level. It should be noted that in this embodiment, the voltage at the connection point A can be controlled so that it is always smaller than the value of the voltage level α in FIG. 9, or can only be clamped in such a way that it does not exceed the voltage level α.

Der Halbleiter-Sensor gemäß dem vorstehend beschriebe nen zweiten Ausführungsbeispiel umfaßt demzufolge eine Schaltungsanordnung, die einen invertierenden Verstär ker bildet, bei dem der Ausgang bzw. das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 8 der Endverstärkerstufe über den Widerstand 9 auf dessen invertierenden Eingangsan schluß zurückgeführt wird, bei dem ein Pull-Up-Wider stand 13 mit dem Ausgangsanschluß des Operationsver stärkers 8 verbunden ist und bei dem eine Klemmschal tung 20 an den Ausgangsanschluß des Operationsverstär kers 5 der Temperaturkorrekturstufe angeschlossen ist, so daß die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 5 nicht unter einen vorbestimmten Spannungspegel α fällt. Infolgedessen wird dann, wenn der Halbleiter-Sensor als Halbleiter-Beschleunigungssensor 25 eingesetzt wird und eine übermäßige Beschleunigung, die bewirkt, daß die Ausgangsspannung Vout gesättigt wird, auf den Halblei ter-Beschleunigungssensor 25 einwirkt, der Halbleiter- Beschleunigungssensor 25 keine kleinere als die tat sächliche, wahre Beschleunigung erfassen und kann somit korrekt erfassen und anzeigen, wenn eine übermäßige Be schleunigung eintritt. Mittels eines wie vorstehend be schriebenen Beschleunigungssensors ist es daher möglich, einen Halbleiter-Beschleunigungssensor zu erhalten, der eine hohe Genauigkeit bereitstellt und bei dem keine Betriebsfehler auftreten.The semiconductor sensor according to the above-described second embodiment accordingly comprises a circuit arrangement which forms an inverting amplifier, in which the output or the output signal of the operational amplifier 8 of the output amplifier stage is fed back via the resistor 9 to its inverting input terminal, in which a pull-up counter stood 13 is connected to the output terminal of the operational amplifier 8 and in which a clamping circuit 20 is connected to the output terminal of the operational amplifier 5 of the temperature correction stage, so that the output voltage of the operational amplifier 5 does not fall below a predetermined voltage level α . As a result, when the semiconductor sensor is used as the semiconductor acceleration sensor 25, and an excessive acceleration which causes the output voltage is saturated Vout, is applied to the semiconducting ter-acceleration sensor 25, the semiconductor acceleration sensor 25 no smaller than the tat Real, real acceleration and can therefore correctly record and display when excessive acceleration occurs. By means of an acceleration sensor as described above, it is therefore possible to obtain a semiconductor acceleration sensor which provides high accuracy and in which no operating errors occur.

Claims

1. Semiconductor sensor device with
a semiconductor sensor and
a plurality of operational amplifiers ( 3 , 5 , 8 ) for amplifying an output voltage of the semiconductor sensor including an output stage operational amplifier ( 8 ) forming an inverting amplifier circuit, the output signal of the output stage operational amplifier ( 8 ) being connected via a resistor ( 9 ) to the Input connection of the final stage operational amplifier ( 8 ) is returned, characterized by
a pull-up resistor ( 13 ) connected to the output terminal of the final stage operational amplifier ( 8 ) and
a parallel to the pull-up resistor ( 13 ) switched constant current source ( 10 ) for saturating the output voltage (Vout) of the final stage operational amplifier ( 8 ) when a voltage at the inverting input terminal of the final stage operational amplifier ( 8 ) falls below a voltage value (α) at which the output voltage (Vout) at the output terminal is saturated.

2. Semiconductor sensor device with
a semiconductor sensor and
a plurality of operational amplifiers ( 3 , 5 , 8 ) for amplifying an output voltage of the semiconductor sensor, including an output stage operational amplifier ( 8 ) forming an inverting amplifier circuit, characterized by
a pull-up resistor connected to the output terminal of the final stage operational amplifier ( 8 ) and
one with the output terminal of the final stage operational amplifier ( 8 ) preceding circuit ( 5 , 6 ) and via a resistor ( 7 ) connected to the inverting input terminal of the final stage operational amplifier ( 8 ) clamp circuit ( 20 ) for limiting one of the inverting input terminal of the final stage operational amplifier ( 8 ) supplied voltage such that the output voltage (Vout) of the final stage operational amplifier ( 8 ) is not saturated.